|
前言
计算机辅助工艺过程设计（Computer Aided Process Planning，简称CAPP）是指借助于计算机软硬件技术和支撑环境，利用计算机进行数值计算、逻辑判断和推理等的功能来制定零件机械加工工艺过程。借助于CAPP 系统，可以解决手工工艺设计效率低、一致性差、质量不稳定、不易达到优化等问题。智能化的CAPP系统可以继承和学习工艺专家的经验和知识，用于指导工艺设计，在一定程度上可以弥补技术熟练、具有丰富生产经验的工艺专家普遍存在不足的缺憾。所以CAPP自诞生以来，一直受到工业界和学术界的广泛重视，CIRP、ASME 等的重要学术会议均把CAPP 研究作为重要的议题。CAPP是将产品设计信息转换为各种加工制造、管理信息的关键环节，是连接CAD、CAM的桥梁，是制造业企业信息化建设的信息中枢，是支撑CIMS（Computer Integrated Manufacturing System）的核心单元技术，作用和意义重大。
一、国内外CAPP研究综述与分析
CAPP 系统的研究和发展经历了较为漫长曲折的过程。自从1965 年Niebel 首次提出CAPP 思想，迄今30 多年，CAPP领域的研究得到了极大的发展，期间经历了检索式、派生式、创成式、混合式、专家系统、开发工具等不同的发展阶段，并涌现了一大批CAPP 原型系统和商品化的CAPP 系统。
早期的CAPP系统为检索式（Retrieval）系统。它事先将设计好的零件加工工艺规程存储在计算机中，在编制零件工艺规程时，根据零件图号或名称等检索出存有的工艺规程，获得工艺设计内容。这类CAPP系统自动决策能力差，但最易建立，简单实用，对于现行工艺规程比较稳定的企业比较实用。检索式CAPP系统主要用于已经标准化的工艺过程设计。
随着成组技术（GT）的推广应用，变异式或派生式CAPP（Variant CAPP）系统得到了开发和应用。派生式CAPP 系统以成组技术为基础，按零件结构和工艺的相似性，将零件划分为零件族，并给每一族的零件制定优化的加工方案和典型工艺过程。挪威早期推出的AUTOPROS系统，美国麦克唐纳. 道格拉斯自动化公司与CAM-I开发的CAPP-CAM-I系统，英国曼彻斯特大学开发的AutoCAP系统等都是典型的派生式CAPP 系统。派生式CAPP 系统实质上是根据零件编码检索出标准工艺，并在此基础上进行编辑修改，系统构建容易，有利于实现工艺设计的标准化和规格化，而且有较为成熟的理论基础（如成组技术等），故开发、维护方便。变异设计的思想与实际手工工艺设计的思路比较接近，故此类系统比较实用，发展较快，取得了一定的经济效益。
70 年代中后期，美国普渡大学的Wysk博士在其博士论文中首次提出了基于工艺决策逻辑与算法的创成式CAPP（Generative CAPP）的概念，并开发出第一个创成式CAPP系统原型—APPAS（Automated Process Planning And Selection）系统，CAPP 的研究进入了一个新的阶段。创成式CAPP系统能根据输入的零件信息，通过逻辑推理、公式和算法等，作出工艺决策而自动地生成零件的工艺规程。创成式CAPP系统是较为理想的系统模型，但由于制造过程的离散性、产品的多样性、复杂性、制造环境的差异性、系统状态的模糊性、工艺设计本身的经验性等因素，使得工艺过程的设计成为相当复杂的决策过程，实现有一定适应面的、工艺完全自动生成的创成式CAPP系统具有相当的难度，已有的系统多是针对特定的零件类型（以回转体为主）、特定的制造环境的专用系统。
鉴于创成式CAPP 系统设计开发中的困难，随后研究人员提出了混合式CAPP（Hybrid CAPP）系统，它融合了派生式和创成式两类CAPP 系统的特点。混合式CAPP系统常采用派生的方法首先生成零件的典型加工顺序，然后再根据零件信息，采用逻辑推理决策的方法生成零件的工序内容，最后再人机交互式地编辑修改工艺规程。目前混合式的CAPP系统应用较为广泛。
进入80 年代，研究人员探讨将人工智能（AI）技术、专家系统技术应用于CAPP 系统中，促进了以知识基（knowledge-based）和智能化为特征的CAPP 专家系统的研制。专家系统CAPP 与创成式CAPP 系统主要区别在于工艺设计过程的决策方式不同：创成式CAPP是基于“逻辑算法+决策表”进行决策，专家系统CAPP 则以“逻辑推理+知识”为核心，更强调工艺设计系统中工艺知识的表达、处理机制以及决策过程的自动化。1981 年法国的Descotte等人开发的GARI系统是第一个利用人工智能技术开发的CAPP 系统原型，该系统采用产生式规则来存储加工知识并可完成加工方法选择和工序排序工作。目前已有数百套专家系统CAPP 问世，其中较为著名的是日本东京大学开发的TOM 系统，英国UMIST 大学开发的XCUT 系统以及扩充后的XPLAN 系统等。
80 年代中后期，随着CIM概念的提出和CIMS 在制造领域的推广应用，面向新的制造环境的集成化、智能化以及功能更完备的CAPP 系统成为新的研究热点，涌现出了集成化的CAPP 系统，如德国阿亨工业大学Eversheim教授等开发的AUTOTAP系统；美国普渡大学的H.P.Wang 与Wysk 在CADCAM 和APPAS 系统的基础上，经扩充推出的TIPPS(Totally Integrated Process Planning System)系统以及清华大学开发的THCAPP 系统等都是早期集成化CAPP 系统的典范。
进入90 年代，随着产品设计方式的改进、企业生产环境的变化以及计算机技术的进步与发展，CAPP系统体系结构、功能、领域适应性、扩充维护性、实用性等方面成为新的研究热点。例如基于并行环境的CAPP、可重构式CAPP系统、CAPP系统开发工具、面向对象的CAPP系统、CAPP与PPS集成均成为CAPP体系结构研究的热点。人工神经网络（ANN）技术、模糊综合评判方法、基因算法等理论和方法也已应用于CAPP 的知识表达和工艺决策中。与此同时，CAPP系统的研究对象也从传统的回转体、箱体类零件扩大到焊接、铸造、冲压等领域中，极大地丰富了CAPP 的研究内涵。
我国对CAPP 的理论研究和系统开发虽然起步较晚，但发展很快，出现了大量的学术性和实用性的各类CAPP 系统。国内高校例如同济、清华、北航、南航、华中科大、西安交大、上海交大、西北工大等在CAPP 的研究和开发方面起步较早，取得了卓有成效的成果，对我国CAPP的研究、普及和推广应用起到了很好的推动作用。比较有代表性的CAPP 系统有TOJICAPP、THCAPP、BHCAPP、BITCAPP、NHCAPP、XJDCAPP、HUST_RCAP 等。
在90 年代中后期，国内几家从事制造业软件开发与系统集成服务的公司在消化吸收CAPP 研究成果的基础上，并结合我国企业的实际需求，陆续推出了不少商品化的CAPP 系统，代表性的有开目CAPP、天河CAPP、思普CAPP、金叶CAPP、大天CAPP、艾克斯特CAPP、天喻CAPP 等，并分别在企业得到了不同程度的应用。据不完全统计，目前我国自行研制开发的不同类型的CAPP系统已达100 余套。国内CAPP研究的深入程度、覆盖面和发展水平如果保留地说还没有超过国外，则至少也已处于并驾齐驱的阶段。
归纳起来，迄今为止所研究的CAPP系统可分为如图1 所示的体系结构。 （图片）
图1 CAPP 系统分类示意图 CAPP 研究开发中存在的问题与分析
自从1965 年Niebel 首次提出CAPP 思想，迄今30多年，CAPP 领域的研究得到了极大的发展，涌现了一大批CAPP原型系统和商品化的CAPP 系统。纵观CAPP发展的历程，可以看到CAPP的研究开发始终围绕着两方面的需要而展开：一是不断完善自身在发展中出现的不足，二是不断满足新的制造技术、制造模式对其提出的新的要求。国内外高等院校和研究机构发表了数以千计的研究论文，取得了不少研究成果，大大地推动了CAPP 的发展，部分研究成果已经应用于具体实际，取得了较好的社会效益和经济效益。但不可否认的是，从总体上看，CAPP 的应用和工程化的问题，至今并没有得到很好的解决，这与层出不穷的新技术、新方法、新概念很不相称。CAPP 的研究仍然面临着许多问题，其应用的广度和深度与企业的实际需求还相差较远。
工艺设计受诸多因素的影响和制约，个性很强，不同的生产类型、制造资源环境等，都影响工艺设计的结果。在一个企业行之有效的工艺计划到另一个企业可能根本就不适用。就一个企业而言，随着新材料的出现、设备的更新，工艺也会跟着发生变化。因此很难有一个通用的CAPP系统可以满足所有企业的所有需求。
传统的CAPP系统及其构造方法，存在着以下主要的不足：
CAPP 系统的体系结构缺乏柔性、适应性
传统的CAPP系统绝大多数是针对特定产品零件和特定制造环境进行开发的。当零件的种类和制造环境发生变化时，系统需要重新设计和构造。
开放性差
大多是封闭系统，不支持用户的修改和二次开发。
系统可重用性差，存在大量低水平的重复工作
传统的CAPP 系统绝大多数采用结构化程序分析方法和结构化设计方法，使得CAPP系统的可维护性差、可重用性、继承性差。大多数的CAPP 系统的开发完全从零开始，功能模块存在大量的低水平的重复工作，起点低，系统研制周期长，效率低。
对CAPP 的实用性、产业化重视不够，忽略对CAPP 中的人机工程技术的研究
由于忽略了从客户使用的角度验证CAPP 的功能实用性、完备性，使得大多数的CAPP系统为实验室产品或原型产品，无法真正在企业中用起来。
随着网络、数据库技术的应用，原有单机模式的CAPP 已不能满足实际需求。
针对工艺设计个性很强的特点以及上述传统CAPP系统的不足，研究和开发CAPP工具系统是解决问题，迎接挑战的一条有效的途径。工艺设计虽然“因厂而异”，但也遵循一些公共的规范，有规律可循。将工艺设计中的共性提取出来，创建系统总体结构框架和设计模型；针对工艺设计中的个性问题，开发可重用、可维护的功能组件对象，通过功能组件对象的实例重用、继承重用、多态性重用，提高系统的开放性和灵活性；通过不同功能组件的拼装、升级、重用，避免不必要的、低水平的重复开发，实现CAPP 系统开发和维护的高效。
实践证明这是开发CAPP系统的一种很有效的方法。
二、 不断发展的CAPP 内涵
随着科学技术的进步特别是计算机技术的发展以及知识经济的来临，制造业正经历着巨大的变革。知识经济使得制造活动和销售经营分散化、网络化、全球化，形成了全球性的大市场。每个企业都面临着持续多变和不可完全预测的全球化市场经济竞争。为了提高企业的竞争力，制造企业必须解决其新产品的T、Q、C、S、E难题，即以最快的上市速度（T-Time to Market），最好的质量（Q－Quality），最低的成本（C－Cost），最优的服务（S-Service）及最清洁的环境（E-Environment）来满足不同顾客对产品的需求和企业可持续发展的要求。
为了适应制造领域发展的上述变革，各种新的制造技术、产品设计制造模式以及生产组织形式相继提出并得到不同程度的应用实施。例如计算机集成制造系统CIMS（Computer Integrated Manufacturing System）、并行工程CE（Concurrent Engineering）、精益生产LP（Lean Production）、准时制JIT（Just in Time）、智能制造IM（Intelligent Manufacturing）、敏捷制造AM（Agile Manufacturing）、先进制造技术AMT（Advanced Manufacturing Technology）等。
无论什么样的制造技术、制造模式以及生产组织形式，CAPP作为产品设计和制造的中间桥梁、信息枢纽的地位和作用不会改变。新的制造技术、制造模式以及生产组织形式的成功有赖于其包含的各个单元技术，CAPP 作为核心的制造信息处理单元，无疑对其的成功实施具有重要的意义。与此同时，新的制造技术、制造模式以及生产组织形式对CAPP提出了更高的要求，赋予了它新的内涵，其意义和作用更大。
随着研究的深入以及新技术、新需求的提出，CAPP 的内涵也在不断的丰富。就像CAD有狭义的CAD 和广义的CAD 一样，CAPP 也有狭义和广义之分。从狭义的观点来看，CAPP是针对零件的机械加工工艺过程设计（以切削为主），输出工艺规程。但从广义的观点来看，CAPP 包括工艺设计和工艺设计过程和活动的管理。工艺设计的过程不仅仅产生零件的工艺规程，还为基于并行工程的产品设计提供制造可行性、加工成本分析、可装配性等信息和数据；为MIS/ERP 系统提供工时定额、材料定额、工装一览表、工艺路线表等基础的制造数据；为计算机辅助质量检验系统提供加工精度、粗糙度、形位公差等质量检验项目内容和要求，由计算机辅助质量检验系统自动生成零件的工序质量检验规划。根据企业的实际需求知道，实际的工艺设计是由不同性质的子任务组成，工艺设计分多个步骤完成，如工艺调研、分析和审查产品结构工艺性、设计工艺方案、设计工艺路线、设计工艺规程、设计工艺装备、制定材料定额、工时定额、工艺设计结果需经过校对、审核、批准等。这些子任务会涉及到多个部门如计划处、生产处、工艺处、设备处、劳资科、标准化室等，所以工艺设计是一个多任务和多用户并发的过程，需要有一套权限、用户管理协调机制。CAPP 应用的目的之一是提高工艺设计的效率，工艺设计效率的提高不仅仅依赖于单个零件的工艺决策过程的提高，期间涉及到工艺过程和工艺子任务的分解和协调。随着并行工程、产品数据管理技术（PDM）、CIMS 技术等的应用和推广，需要在CAPP 里实现有效的人、技术的集成，实现工艺设计过程和设计信息的管理，从系统、整体上提高工艺设计的效率和质量。
三、CAPP 研究发展的趋势、面临的挑战与机遇
伴随着对制造业的国民经济基石地位和作用的重新认识，制造业受到了前所未有的重视，正经历着巨大的变革。一些新的制造技术、产品设计制造模式以及生产组织形式相继提出并得到了不同程度的应用实施。这些不断发展的新的制造技术、制造模式以及生产组织形式对CAPP 提出了更高的要求，赋予了它新的内涵，CAPP 面临着巨大的挑战和机遇。以下
分别论述在新的制造技术与模式下CAPP 的特点和要求。
四、CIMS环境下的CAPP
CIMS作为一种新的生产组织原理和概念指导下形成的新型制造模式，把各个分散的独立的自动化孤岛，通过相关技术集成为一个优化的整体。CIMS 的集成包括物理集成、功能、信息集成，其中最重要的是信息集成。CIMS 的核心思想是通过各单元的信息集成、信息共享实现系统整体的高效率、高质量。集成给传统的CAPP 提出了挑战，归纳起来，CIMS 环境下的CAPP具有如下的特点和要求：
CAPP 的信息桥梁的作用和意义更加明显和重要。
· 具有良好的接口，是一个可供集成的系统
CIMS环境下的CAPP系统不仅要具备工艺规划的能力，还应提供良好的接口，以实现与CAD、CAM、MIS/MRPII、CAQ 等子系统的信息集成。
· CIMS环境下的CAPP 应是一个闭环系统
它应能在工艺设计过程中根据其它系统的各种反馈信息，如生产计划情况、设备负荷率、制造资源变动情况、加工现场出现的质量问题等，实现动态设计。即从系统的、全局的角度进行工艺设计和调整，实现整体的优化，不能局限于工艺设计的局部。
CAPP 系统应具有良好的开放性。
· 并行工程(CE) 环境下的CAPP
并行工程是指集成地、并行地进行产品及其相关的各种过程（包括制造过程和支持过程）一体化设计的系统方法，以达到提高产品开发全过程（设计/工艺/制造/服务）的质量，降低产品整个生命周期的成本和缩短产品开发周期的目的。
并行环境下的CAPP系统具有如下主要的特点：
· 为产品设计提供反馈信息，支持面向制造的设计（DFM）、面向装配的设计（DFA）。
CAPP 系统提供的反馈信息主要包括产品设计的合理性、产品的可制造性、可装配性评价、加工经济性分析、产品制造时间估算等，要充分考虑到质量、成本、效率等。
· 能对车间制造资源能力的变化作出及时反应，以满足车间作业计划与生产调度的要求。
传统的CAPP系统一般只考虑静态的制造资源，没有考虑制造资源的动态变化性。在安排生产作业计划时，由于设备故障或工艺规程中指定的设备负荷过大，CAPP 系统中制定的工艺规程就不再是优化的，甚至是不合理的。因此，在并行工程环境下，CAPP必须考虑车间底层实时的制造资源信息，集成CAPP 与生产作业计划系统。
· CAPP 在信息集成的基础上，实现与其它相关过程的功能集成。
与CAD、CAM、CAQ、MRPII 等协同工作，动态进行信息的双向交互，协同决策，即CAPP 是面向产品开发的全过程，实现全局的优化。
· CAPP 与制造资源计划系统（MRPII）的集成将更为紧密。
· 敏捷制造(AM)环境下的CAPP
敏捷制造是指在一种持续变化和不可预测的市场竞争环境中，通过集成企业组织、技术和信息资源，构造一种能够对市场需求作出快速响应的柔性生产组织方式和虚拟制造环境，以共同盈利（Win-Win）为原则，通过协作生产方式组成敏捷虚拟企业（AVE-Agile Virtual Enterprise）,以实现在日趋激烈的全球化市场竞争中求得生存和发展。敏捷制造是基于各种先进制造技术支持的未来制造企业的发展战略，被称为21 世纪企业的主要模式。
敏捷制造环境下的CAPP 系统具有如下的特点和要求：
· 面向多样化产品类型的工艺过程设计
敏捷制造环境下，要求CAPP 系统必须突破传统工艺设计中对特定零件类型的设计开发模式，满足市场对多元化、个性化、定制化产品的需求。
· 快速适应产品需求变化和相应更新工艺过程设计
敏捷制造环境下，快速多变的用户产品需求和对产品质量、成本、交货期等的满意程度是其显著特点。因此，要求CAPP系统具有快速、柔性地适应产品需求变化和基于产品设计需求快速更新工艺设计的能力。
· 具有开放式的系统结构和支持企业协作化生产
敏捷制造环境下，产品设计和制造通常是由分布在不同区域的多个企业协作完成，生产组织结构由静态转向动态、由封闭型发展为开放型。因此要求与之相适应的CAPP 系统结构必须由传统的集中式向分布式、多元化、协同化的方向发展。工艺设计过程也由传统的线形工艺设计向柔性工艺设计、动态工艺设计、实时工艺设计方式转变，以适应敏捷环境中多企业或部门间协同化生产的需求。
· 基于广域制造资源进行工艺过程设计
敏捷制造环境下，支持工艺过程设计的制造资源可以基于多个企业来完成，使工艺设计过程由传统的单一企业中局部寻优转向联盟企业中的全局优化，有利于生成多种可选工艺设计方案，CAPP 系统具有根据不同企业对“顾客定制化产品”的工艺设计反馈结果进行综合评价的能力，以获得最佳的满意解。
· 先进制造技术（AMT）环境下的CAPP
先进制造技术是传统制造技术不断吸收机械、电子、信息、材料、能源及现代管理等方面的成果，并将其综合应用于产品设计、制造、检测、管理、销售、使用、服务的制造全过程，以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活生产，并取得理想技术经济效果的制造技术的总称。先进制造技术是传统的制造技术与现代高新技术结合而产生的一个完整的技术群，是面向21 世纪的新的技术体系。
先进制造技术下的CAPP 除了一般的工艺规划、与其它系统的信息集成的功能以外，还具有以下的主要特点和要求：
l 支持并行工程
为产品设计提供反馈信息，支持面向制造的设计（DFM）、面向装配的设计（DFA）等。
l 支持绿色制造
先进制造技术特别强调环境保护，实施绿色制造，使产品从设计、制造、包装、运输、实用到报废处理的整个产品生命周期中，对环境的影响最小，资源消耗最少。CAPP支持绿色制造，必须进行绿色工艺规划，即根据制造系统的实际，尽量研究和采用物料和能源消耗少、废弃物少、对环境污染小的工艺方案和工艺路线。除了考虑可制造性原则和经济性原则外，还需要考虑绿色工艺设计原则，包括：
· 资源消耗最少原则
通过合理选择工艺方案，尽可能减少加工过程的原材料消耗。
· 能源消耗最少原则
尽量减少整个加工过程中的能源消耗，尤其是不可再生能源的消耗。
· 环境污染最小原则
合理选用切削液、润滑液等，减少加工过程对自然环境的污染。
· 劳动保护原则
尽量选用对劳动者身心健康损害较小的加工方法原则。
l 支持人机工程。
先进制造技术特别强调人的主体作用，以人为主体，以计算机技术为支柱，实现人、技术、管理的有机结合。对其中的单元技术CAPP 也不例外，要求CAPP具有良好的人机界面，使制造技术基础设施群的工作人员培训和教育简单化、宜人化。
五、结束语
理想的CAPP系统应具有良好的开放性、柔性、可重构性、集成性、实用性。CAPP 的研究将始终围绕着两个主要的目标来进行：一是研究如何构建一个相对稳定的、开放的、可重构的、可集成的CAPP 工具系统体系结构、理论与方法；二是基于研究的CAPP 理论和方法，结合工程实际的需求，开发CAPP 工具系统，并应用于实践，服务于企业。这两个目标相辅相成，CAPP 工具系统的理论与方法是CAPP实际开发和应用的基础，具体企业的应用实践可以验证、指导所形成的CAPP 理论。
在制造业企业信息化建设如火如荼的今天，CAPP 的重要性和意义已得到企业界的认可。CAD 下一步深化应用的重点就是在工艺部门普及应用CAPP，国家经贸委提出的实施企业信息化的战略部署，表明CAPP 的应用推广具有广阔的前景和市场。面临工艺个性各异的巨大的市场，很难设想采用传统的定做开发的方式逐一满足企业的需求，研究和开发集成的、开放的的CAPP 工具系统是有效的途径。CAPP 工具系统的重构性、开放性、柔性、集成性、实用性使其可以快速开发和实施，因而具有广阔的应用前景。
5/28/2005
|
